ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
1. Цель и содержание работы
Целью работы является исследование свойств полупроводниковых диодов плоскостного и точечного типов. В работе снимаются вольтамперные характеристики и определяются параметры диодов в широком диапазоне частот.
2. Краткие сведения из теории
Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (р) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n – области значительно больше, чем в р - области, а дырок в р - области больше, чем в n - области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n – области и дырок из p – области. В результате рекомбинации на границе р- и n – областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рисунок 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью ЕВН, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.
 |
При подключении источника э.д.с. к n-р переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ЕИСТ (ЕИСТ( )) ширина запирающего слоя может:
- уменьшаться - векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузионного тока;
- увеличиваться - векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.
Перечисленные свойства р- n перехода используются в полупроводниковых диодах.
Полупроводниковым диодом называется прибор с одним р – n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) – базой.
Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе – анодным (Рисунок 1, б).
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рисунке 2.
 |
Вольт- амперная характеристика имеет прямую («1» на рисунке 2) и обратную («2» на рисунке 2) ветви.
При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника EИСТ направлен противоположно вектору напряженности р-n перехода диода, положительный полюс источника ЕИСТ подключен к аноду диода, а отрицательный полюс ЕИСТ к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в n - p переходе.
В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер и проходить через р-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в р-полупроводник и дырок – из р-области в n-полупроводник.
Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым (рисунок 2).
При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника ЕИСТ совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника ЕИСТ соединен катодом диода, а положительный полюс источника ЕИСТ соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера р-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из р – области в n – область и дырками из n – области в р-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током I0бр.
При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока – участок "3" на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой р – n перехода. Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.
Тепловой пробой возникает из-за перегрева р-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рисунке 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон – дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в р-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.
В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего р – n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные.
Точечные диоды имеют малую емкость р-n - перехода
(обычно менее 1пФ) и применяются для выпрямления переменного тока любых частот
вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость р-n-перехода составляет несколько
десятков пФ. Различие в собственных емкостях Ссоб полупроводниковых диодов
сказывается на их работе: с увеличением частоты внешнего источника Е,
приложенного к диоду, сопротивление собственной емкости 
уменьшается
и обратный ток Iобр возрастает,
что приводит к тому, что диод теряет свойство односторонней проводимости.
Поэтому на частотах свыше 50 кГц применяют главным образом точечные
полупроводниковые диоды.
3. Порядок выполнения работы на лабораторном стенде.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.